Motores CC com Imã Permanente-Funcionamento e Aplicações

Máquinas Elétricas MOTOR CC COM IMÃ PERMANENTE E SERIE Curso de Engenharia Elétrica Prof Msc Elson Borges da Silva Filho Motores CC Motors cc com imã permanente Um motor CC de ímã permanente CCIP é um motor CC cujos polos são feitos de ímãs permanentes Esses motores oferecem diversos benefícios em comparação com os motores CC em derivação usados em algumas aplicações Como não precisam de um circuito de campo externo eles não têm as perdas que ocorrem no cobre do circuito de campo dos motores CC em derivação Como não há necessidade de enrolamento de campo eles podem ser menores do que os correspondentes motores CC em derivação Os motores CCIP podem ser encontrados comumente em tamanhos que chegam até 10 HP aproximadamente e nos últimos anos alguns motores foram construídos alcançando 100 HP Contudo eles são especialmente comuns em tamanhos menores fracionários ou subfracionários para os quais a inclusão de um circuito separado de campo não se justifica devido ao custo e o espaço necessário Prof Msc Elson Borges da Silva Filho Curso de Engenharia Elétrica Motores CC Em geral os motores CCIP são mais baratos de tamanho menor mais simples e mais eficientes do que os motores CC correspondentes com campos eletromagnéticos separados Isso os torna uma boa escolha em muitas aplicações de motores CC Basicamente as armaduras dos motores CCIP são idênticas às armaduras dos motores com circuitos separados de campo o que também torna seus custos similares Por outro lado a eliminação dos eletroímãs separados no estator reduz o tamanho do estator o custo do estator e as perdas nos circuitos de campo Os motores CCIP também têm desvantagens Os ímãs permanentes não conseguem produzir uma densidade de fluxo tão elevada quanto a de um campo em derivação de alimentação externa Desse modo um motor CCIP terá um conjugado induzido 𝜏𝑖𝑛𝑑 menor por ampère de corrente de armadura 𝐼𝐴 do que um motor CC em derivação de mesmo tamanho e construção Além disso os motores CCIP correm o risco de desmagnetização Prof Msc Elson Borges da Silva Filho Curso de Engenharia Elétrica Motores CC O MOTOR CC SÉRIE Um motor CC série é um motor CC cujos enrolamentos de campo consistem em relativamente poucas espiras conectadas em série com o circuito de armadura O circuito equivalente de um motor CC série está mostrado na Figura abaixo Em um motor série a corrente de armadura a corrente de campo e a corrente de linha são todas a mesma A equação da lei de Kirchhoff para as tensões desse motor é 𝑉𝑇 𝐸𝐴 𝐼𝐴 𝑅𝐴 𝑅𝑆 Prof Msc Elson Borges da Silva Filho Curso de Engenharia Elétrica Motores CC Conjugado induzido em um motor CC série A característica de terminal de um motor CC série é muito diferente da característica do motor em derivação estudado anteriormente O comportamento básico de um motor CC série devese ao fato de que o fluxo é diretamente proporcional à corrente de armadura no mínimo até que a saturação seja alcançada À medida que aumenta a carga do motor seu fluxo também aumenta Como foi visto antes um aumento de fluxo no motor causa uma diminuição de sua velocidade O resultado é que um motor série tem uma característica de conjugado versus velocidade de declive muito acentuado Prof Msc Elson Borges da Silva Filho Curso de Engenharia Elétrica Motores CC O fluxo dessa máquina é diretamente proporcional à sua corrente de armadura no mínimo até que o metal sature Portanto o fluxo da máquina pode ser dado por 𝜙 𝑐 𝐼𝐴 em que c é uma constante de proporcionalidade Assim o conjugado induzido dessa máquina é dado por 𝜏𝑖𝑛𝑑 𝐾𝜙𝐼𝐴 𝐾 𝑐 𝐼𝐴 2 Em outras palavras o conjugado do motor é proporcional ao quadrado de sua corrente de armadura Como resultado é fácil ver que um motor série fornece mais conjugado por ampère do que qualquer outro motor CC Portanto ele é usado em aplicações que requerem conjugados muito elevados Exemplos dessas aplicações são os motores de arranque dos carros os motores de elevador e os motores de tração das locomotivas Prof Msc Elson Borges da Silva Filho Curso de Engenharia Elétrica EXERCÍCIOS 05 Prof Msc Elson Borges da Silva Filho Curso de Engenharia Elétrica A Figura mostra um motor CC série de 250 V com enrolamentos de compensação e uma resistência em série total 𝑅𝐴 𝑅𝑆 de 008Ω O campo em série consiste em 25 espira por polo com a curva de magnetização mostrada no gráfico a Encontre a velocidade e o conjugado induzido desse motor quando sua corrente de armadura é 50 A b Calcule e plote a característica de conjugado versus velocidade desse motor EXERCÍCIOS 05 Prof Msc Elson Borges da Silva Filho Curso de Engenharia Elétrica Motores CC O MOTOR CC COMPOSTO Um motor CC composto é um motor que tem campos em derivação e em série Esse motor está mostrado na Figura Os pontos ou marcas que aparecem nas bobinas dos dois campos têm o mesmo significado que os pontos ou as marcas em um transformador uma corrente que entra no terminal com marca produz uma força magnetomotriz positiva Se a corrente entrar nos terminais com marcas de ambas as bobinas de campo as forças magnetomotrizes resultantes combinamse produzindo uma força magnetomotriz total maior Prof Msc Elson Borges da Silva Filho Curso de Engenharia Elétrica Motores CC O MOTOR CC COMPOSTO Essa situação é conhecida como composição cumulativa ou aditiva Se a corrente entrar no terminal com marca de uma bobina de campo e sair pelo terminal com marca da outra bobina de campo as forças magnetomotrizes resultantes subtraemse Na Figura as marcas circulares correspondem à composição cumulativa do motor e as marcas quadradas correspondem à composição diferencial Prof Msc Elson Borges da Silva Filho Curso de Engenharia Elétrica Motores CC A equação da lei de Kirchhoff das tensões para um motor CC composto é 𝑉𝑇 𝐸𝐴 𝐼𝐴 𝑅𝐴 𝑅𝑆 As relações entre as correntes de um motor composto são dadas por 𝐼𝐴 𝐼𝐿 𝐼𝐹 𝐼𝐹 𝑉𝑇 𝑅𝐹 No motor composto a força magnetomotriz líquida e a corrente efetiva do campo em derivação são dadas por ℱ𝑙𝑖𝑞 ℱ𝐹 ℱ𝑆𝐸 ℱ𝑅𝐴 𝐼𝐹 𝐼𝐹 𝑁𝑆𝐸 𝑁𝐹 𝐼𝐴 ℱ𝑅𝐴 𝑁𝐹 em que o sinal positivo nas equações está associado a um motor CC composto cumulativo e o sinal negativo está associado ao motor CC composto diferencial Prof Msc Elson Borges da Silva Filho Curso de Engenharia Elétrica Motores CC A característica de conjugado x velocidade de um motor CC composto cumulativo No motor CC composto cumulativo ou aditivo há uma componente de fluxo que é constante e outra que é proporcional à sua corrente de armadura e portanto à sua carga Dessa forma o motor composto cumulativo tem um conjugado de partida mais elevado do que um motor em derivação cujo fluxo é constante mas um conjugado de partida mais baixo do que o de um motor série cujo fluxo inteiro é proporcional à corrente de armadura De certa forma o motor CC composto cumulativo combina as melhores características de ambos os motores em derivação e série Como em um motor série ele apresenta um conjugado extra para a partida e como um motor em derivação a velocidade não dispara quando ele está sem carga Prof Msc Elson Borges da Silva Filho Curso de Engenharia Elétrica Motores CC Com cargas leves o campo em série tem um efeito muito pequeno o que leva o motor a comportarse aproximadamente como um motor CC em derivação Quando a carga tornase muito grande o fluxo do enrolamento em série tornase bem importante e a característica de conjugado versus velocidade começa a se tornar semelhante à curva característica de um motor série Uma comparação das características de conjugado versus velocidades de cada um desses tipos de máquinas está mostrada na Figura seguinte Prof Msc Elson Borges da Silva Filho Curso de Engenharia Elétrica Motores CC a A característica de conjugado versus velocidade de um motor CC composto cumulativo comparada com a de motores série e em derivação com a mesma carga plena nominal b A característica de conjugado versus velocidade de um motor CC composto cumulativo comparada com a de um motor em derivação com a mesma velocidade a vazio Prof Msc Elson Borges da Silva Filho Curso de Engenharia Elétrica Motores CC A característica de conjugado velocidade de um motor CC composto diferencial Em um motor CC composto diferencial a força magnetomotriz em derivação e a força magnetomotriz em série subtraemse entre si Isso significa que quando a carga no motor aumenta IA aumenta e o fluxo no motor diminui Entretanto quando o fluxo diminui a velocidade do motor elevase Essa elevação de velocidade causa outro aumento de carga o que por sua vez aumenta IA e diminui mais o fluxo aumentando novamente a velocidade O resultado é que um motor CC composto diferencial é instável e sua velocidade tende a disparar Essa instabilidade é muito pior do que a de um motor em derivação com reação de armadura É tão ruim que um motor CC composto diferencial não é adequado para nenhuma aplicação Prof Msc Elson Borges da Silva Filho Curso de Engenharia Elétrica Motores CC Para tornar as coisas piores é impossível dar partida a esse motor Nas condições de partida a corrente de armadura e a corrente do campo em série são muito elevadas Como o fluxo em série é subtraído do fluxo em derivação o campo em série pode na realidade inverter a polaridade magnética dos polos da máquina Tipicamente o motor permanece imóvel ou gira lentamente no sentido errôneo ao mesmo tempo que os enrolamentos queimamse devido à excessiva corrente de armadura Quando é necessário dar partida a um motor como esse seu campo em série deve ser curto circuitado de modo que durante a partida ele se comporte como um motor comum em derivação Prof Msc Elson Borges da Silva Filho Curso de Engenharia Elétrica Motores CC Devido aos problemas de estabilidade do motor CC composto diferencial ele quase nunca é usado intencionalmente Entretanto poderá resultar um motor composto diferencial se o sentido do fluxo de potência for invertido em um gerador composto cumulativo Por essa razão quando um gerador CC composto cumulativo é usado para alimentar um sistema com potência elétrica ele terá um circuito de proteção de inversão de potência que o desligará da linha se houver uma inversão no fluxo de potência Em nenhum conjunto de motor e gerador no qual se espera que a potência possa fluir em ambos os sentidos podese usar um motor composto diferencial e consequentemente não se pode usar um gerador composto cumulativo Um característica de terminal típica para um motor CC composto diferencial está mostrada na Figura Prof Msc Elson Borges da Silva Filho Curso de Engenharia Elétrica EXERCÍCIOS 06 Prof Msc Elson Borges da Silva Filho Curso de Engenharia Elétrica Um motor CC composto com enrolamentos de compensação 100 HP e 250 V tem uma resistência interna de 004 incluindo o enrolamento em série Há 1000 espiras por polo no enrolamento em derivação e 3 espiras por polo no enrolamento em série A máquina está mostrada na Figura e sua curva de magnetização está mostrada na Figura 89 A vazio o resistor de campo foi ajustado para que o motor girasse a 1200 rpm As perdas no núcleo as mecânicas e as suplementares podem ser desprezadas a Qual é a corrente do campo em derivação dessa máquina a vazio b Se o motor for composto cumulativo qual será sua velocidade quando IA 200 A c Se o motor for composto diferencial qual será sua velocidade quando IA 200 A Motores CC Controle de velocidade de um motor CC composto cumulativo As técnicas disponíveis para o controle de velocidade de um motor CC composto cumulativo são as mesmas disponíveis para um motor em derivação 1 Mudar a resistência de campo 𝑅𝐹 2 Mudar a tensão de armadura 𝑉𝐴 3 Mudar a resistência de armadura 𝑅𝐴 As explicações que descrevem os efeitos da variação de 𝑅𝐹 ou 𝑉𝐴 são muito semelhantes às que foram dadas anteriormente para o motor CC em derivação Teoricamente um método semelhante poderia ser usado para controlar o motor CC composto diferencial Esse fato é de pouca relevância porque o motor composto diferencial quase nunca é utilizado Prof Msc Elson Borges da Silva Filho Curso de Engenharia Elétrica EXERCÍCIOS 07 Prof Msc Elson Borges da Silva Filho Curso de Engenharia Elétrica Um motor CC em derivação de 50 HP 250 V e 1200 rpm tem uma corrente nominal de armadura de 170 A e uma corrente nominal de campo de 5 A Quando seu rotor é travado uma tensão de armadura de 102 V sem as escovas produz uma corrente de 170 A e uma tensão de campo de 250 V produz uma corrente de campo de 5 A Assumese que a queda de tensão nas escovas é 2 V A vazio com a tensão de terminal igual a 240 V a corrente de armadura é igual a 132 A a corrente de campo é 48 A e a velocidade do motor é 1150 rpm a Qual é a potência de saída desse motor em condições nominais Resp 36820W b Qual é a eficiência do motor Resp 842